ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2010, том 57, № 3, с. 467-477
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
УДК 581.1:58.04:576.3
ВЛИЯНИЕ НИКЕЛЯ ПРИ ВЫСОКОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ НА ПРОЛИФЕРАЦИЮ КЛЕТОК ПОКОЯЩЕГОСЯ ЦЕНТРА И ИНИЦИАЦИЮ ПРИМОРДИЕВ БОКОВЫХ КОРНЕЙ В КОРНЯХ ПРОРОСТКОВ ПШЕНИЦЫ © 2010 г. Н. П. Демченко, И. Б. Калимова, К. Н. Демченко
Учреждение Российской академии наук Ботанический институт им. В.Л. Комарова РАН, Санкт-Петербург
Поступила в редакцию 08.12.2008 г.
Синтез ДНК и деление клеток в покоящемся центре, а также инициация примордиев боковых корней изучены в ходе инкубации корней 3-дневных проростков пшеницы (Тгчйеыт аезйуыш Ь.) на среде с 0.1 мМ N1804 в течение 72 ч. Установлено, что наиболее ранним эффектом никеля на пролиферацию клеток покоящегося центра было увеличение митотического индекса через 6 ч от начала его воздействия. Предполагается, что оно было обусловлено увеличением продолжительности митоза. Через 12 ч от начала действия никеля митотический индекс несколько снижался, а через 18 ч — резко уменьшался. Отдельные делящиеся клетки встречались в инициальных клетках некоторых тканей и вблизи покоящегося центра и через 72 ч. Доля синтезирующих ДНК клеток резко снижалась через 12 ч, а через 48 ч такие клетки отсутствовали. Основным механизмом прекращения пролиферации клеток в покоящемся центре, так же как в меристеме и калиптрогене чехлика, является инги-бирование перехода клеток к синтезу ДНК. Клетки, которые успели начать синтез ДНК или завершили его и находились в других фазах цикла, продолжали медленное продвижение по циклу и завершали его. Сестринские клетки, возникшие в результате деления, выходили из цикла в О^фазе в покой. Инициация примордиев боковых корней и развитие примордиев не ингибировались под воздействием никеля. Возобновление синтеза ДНК и деления клеток происходило не только в пе-рицикле и эндодерме, участвующих в инициации примордиев боковых корней, но и в клетках коры вблизи развивающихся примордиев. Через 18 ч от начала опыта, когда скорость роста корня заметно снижалась, участок, в котором происходила инициация примордиев, находился ближе к кончику корня. В последующие сроки, когда растяжение клеток было ингибировано, этот участок продвигался ближе к кончику до тех пор, пока в ядрах клеток эндодермы, расположенных ближе к кончику корня и проходивших растяжение под воздействием никеля, не происходили структурные нарушения. В работе обсуждаются данные других исследователей о влиянии никеля и других тяжелых металлов на пролиферацию клеток в корнях и роль особенностей организации перицикла в транспорте и накоплении никеля в тканях.
Ключевые слова: Тпйеыт ае.^ыт — корень — меристема — покоящийся центр — пролиферация — синтез ДНК — митоз — никель
ВВЕДЕНИЕ
Постэмбриональное развитие растения осуществляется за счет функционирования апикальных меристем корня и побега. Пролиферация клеток в меристемах обеспечивает длительный рост органов. Поэтому изучение влияния различных факторов среды, включая загрязнение ее тяжелыми металлами, на пролиферацию клеток в меристемах представляет несомненный интерес. Однако влияние тяжелых металлов на пролифе-
Сокращения: БК — боковые корни; ИМК — индекс меченных
3Н-тимидином клеток; ИПБК — инициация примордиев боковых корней; МИ — митотический индекс; ПБК — при-мордии боковых корней; ПЦ — покоящийся центр. Адрес для корреспонденции: Демченко Николай Петрович. 197376 Санкт-Петербург, ул. проф. Попова, 2. Ботанический институт РАН. Электронная почта: demch@yandex.ru
рацию клеток в меристемах изучено недостаточно [1—3]. В основном работы были выполнены на меристеме корней. Чаще всего изучали клетки основной части меристемы, которые имеют короткий митотический цикл и успевают разделиться в меристеме всего несколько раз. Наиболее ди-стальные клетки корня, включая инициальные клетки разных тканей, которые сохраняют способность к пролиферации в течение продолжительного отрезка времени и, поступая в основную часть меристемы, поддерживают пролиферацию клеток в течение длительного времени роста корня, практически не исследованы. Эта группа клеток, названная Clowes [4] покоящимся центром (ПЦ), имеет более длительную продолжительность митотического цикла по сравнению с клетками основной части меристемы за счет большей
длительности Огфазы [5] и медленно синтезирует ДНК, РНК и белки [6]. В корнях кукурузы [7, 8] и пшеницы [9] большая часть клеток ПЦ содержит 2с ДНК. В корнях пшеницы большая часть инициальных клеток рядов ризодермы, коры, пе-рицикла и центрального ряда метаксилемы также содержит 2с ДНК [10, 11]. Данные, полученные в результате длительной инкубации корней с 3Н-ти-мидином, показали, что инициальные клетки рядов ризодермы и коры в корнях пшеницы имеют и большую продолжительность митотического цикла, чем остальные клетки этих рядов [12]. Предполагается, что часть клеток ПЦ никогда не делится [4] или они имеют длительный митотиче-ский цикл [9]. В корнях кукурузы наиболее длительный цикл обнаружен у самых дистальных клеток ПЦ [13]. В корнях арабидопсиса самые ди-стальные и центральные клетки корня тоже имели наиболее длительный цикл, и только эти клетки были отнесены авторами к ПЦ [14]. Вероятнее всего, по мере удаления клеток ПЦ от оси корня (или от границы с чехликом) длительность их цикла сокращается.
При нарушении функционирования клеток меристемы и чехлика, а также роста корня под воздействием различных факторов среды клетки ПЦ способны к стимуляции пролиферации, восстановлению роста корня и формированию нового чехлика после удаления этих факторов. Это было обнаружено после рентгеновского [15] и у-облуче-ния [16, с. 172—173] корней в высоких дозах (но не полного ингибирования деления клеток), воздействия на них низкой положительной температурой [17], а также воздействия М-нафтилфталамо-вой кислотой — ингибитором транспорта ИУК [18] и других факторов.
При воздействии на корни проростков кукурузы азотнокислых солей свинца [19, 20], кадмия и цинка [19] на среде без Са тоже отмечено открывание меристемы; клетки ПЦ формировали новый чехлик. При воздействии №(М03)2 в отсутствие в среде Са обнаружены лишь отдельные делящиеся клетки ПЦ, растущие в сторону чехлика, но новый чехлик в течение времени наблюдения не формировался [20]. Кроме того, в этой работе заметной стимуляции деления клеток ПЦ не было обнаружено. В нашей предыдущей работе [3] было показано, что под воздействием высокой (0.1 мМ) концентрации никеля в среде уже через 12 ч от начала экспозиции корней их прирост снижался, а через 24 ч рост корней практически прекращался. Растяжение клеток ингибирова-лось в акропетальном направлении, и длина закончивших растяжение клеток сокращалась. В меристеме и апикальной части зоны растяжения медленный рост клеток продолжался в течение вторых и даже третьих суток. В растягивавшихся клетках в ходе воздействия никеля выявлены тка-неспецифические нарушения структуры ядра,
которые проявлялись только после прекращения растяжения. Методом авторадиографии установлено, что уже через 6 ч от начала опыта переход клеток меристемы и чехлика корней пшеницы к синтезу ДНК ингибировался. Клетки, которые успели начать синтез ДНК или находились в С2-фазе или митозе, продолжали медленное продвижение по митотическому циклу, делились и их сестринские клетки выходили из С1-фазы в покой. Пролиферация клеток ПЦ в ходе воздействия высокой концентрации никеля не была исследована.
В литературе имеется мало данных и о влиянии никеля на инициацию примордиев боковых корней (ИПБК). В корнях многих видов цветковых растений ИПБК происходит в участке корня, где растяжение клеток уже завершено. В корнях разных видов растений примордии боковых корней (ПБК) формируются в результате роста и пролиферации клеток перицикла, расположенных напротив ксилемных или флоэмных групп [21—23]. В ходе ИПБК происходит выход клеток из покоя в С1-фазу митотического цикла, возобновление синтеза ДНК и затем их деление [23, 24]. При инкубации корней проростков кукурузы в среде с 15, 20, 25 и 35 мкМ №(М03)2 и 3 мМ Са(М03)2 в течение 7 суток были выявлены лишь единичные ПБК [25]. По мнению авторов, никель накапливался в клетках перицикла и, как следствие этого, ветвление корня ингибировалось. На модифицированной среде Хогланда в присутствии 60 мкМ №С12 в течение 8 суток отмечено значительное уменьшение плотности боковых корней (БК) в корнях проростков чувствительного сорта кукурузы [26]. В корнях растений ТМазр1 рег[о11аШш и Т. саегиШсепсе, соответственно исключателя и гипераккумулятора никеля, выращенных на растворе Хогланда в присутствии соответственно 20 и 300 мкМ №(М03)2, развитие БК не прекращалось [27]. При инкубации корней проростков пшеницы в растворе Кнопа (0.25 нормы) в присутствии 0.1 мМ №804 в течение 48 ч ИПБК не ингибировалась, а ПБК были обнаружены значительно ближе к кончику корня, чем в контрольных корнях [3, 28]. Однако детальных исследований влияния никеля на ИПБК и развитие ПБК не проводилось.
Цель настоящей работы заключалась в изучении влияния никеля на пролиферацию клеток (синтез ДНК и деление клеток) ПЦ, а также на возобновление пролиферации клеток в связи с ИПБК и развитие ПБК в корнях проростков яровой пшеницы в ходе их инкубации на среде с высокой концентрацией (0.1 мМ) №804. Результаты работы позволили глубже понять воздействие никеля на пролиферацию клеток в зависимости от положения пролиферирующих клеток в корне.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Работу проводили на корнях проростков яровой пшеницы (Triticum aestivum L.) сорта Московская 37. Зерновки замачивали в растворе нистатина с активностью 1250 ед./мл в течение 40 мин. После промывки водой зерновки переносили в чашки Петри и помещали в холодильник при 4°С на 6 ч для более дружного начала их прорастания. Затем зерновки проращивали в чашках Петри на смоченной водой фильтровальной бумаге в термостате в темноте при температуре 26°С. Через 26 ч проростки переносили на перфорированные пластины двух вегетационных сосудов объемом 1.4 л. Корни проростков погружали в аэрируемый раствор Кнопа (0.25 нормы) и выращивали в темноте при температуре 23—24°С. Через сутки прор
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.